數(shù)字圖像插值算法比較研究

盛曉艷 龔超

摘要：圖像插值是圖像處理中最基本的技術(shù)之一，得到了廣泛研究和應(yīng)用 。文中詳細地闡述了常用的4種圖像插值算法：最近鄰插值、雙線性插值、雙三次插值、Lanczos插值。從圖像插值的一般原理開始，對4種算法的數(shù)學(xué)公式進行了推導(dǎo)，并給出了部分算法的實現(xiàn)代碼。然后，通過在Visual Studio 2015 + OpenCV 3.2 平臺上的實驗，分別對4種算法插值后的圖像進行主客觀兩方面的評價，并對算法運行效率做了比較。

關(guān)鍵詞：圖像插值；蘭索斯插值；原理；公式

中圖分類號：TP317 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）08-0153-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Research on Digital Image Interpolation Algorithm

SHENG Xiao-yan， GONG Chao

（Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract： Image interpolation is one of the most basic technologies in image processing， and has been widely studied and applied. This paper detailly explains 4 commonly used image interpolation algorithms， including nearest neighbor interpolation， bilinear interpolation， bicubic interpolation， Lanczos interpolation. Starting from the general principle of image interpolation， the mathematical formulas of the 4 algorithms are derived， and the implementation codes of some algorithms are given. Then， through the experiments on the platform of Visual Studio 2015 + OpenCV 3.2， the assessment of the subjective and objective two aspects of the interpolated images and the comparison of the operating efficiency are obtained by the 4 algorithms.

Key words： image interpolation； Lanczos interpolation； principle； formula

圖像縮放廣泛應(yīng)用于軍事、航空、醫(yī)學(xué)、手持設(shè)備和多媒體設(shè)備等領(lǐng)域的圖像處理與顯示。比如日常生活中，當(dāng)用戶通過4K電視機觀看節(jié)目時，由于缺乏4K節(jié)目源，就需要將低分辨率的圖像轉(zhuǎn)換為高分辨率的圖像，這就需要用到圖像插值技術(shù)。圖像縮放的基本原理就是根據(jù)原圖像的像素值通過一定的規(guī)則計算得到目標(biāo)圖像的像素值。在圖像的縮放過程中，最重要的就是確定下面兩個問題：一是計算目標(biāo)圖像中的每一個像素值時，應(yīng)該選取原圖像中哪些像素值；二是這些選取出的像素值在計算目標(biāo)像素時權(quán)重如何確定。

圖像插值算法的一般思路[1]是這樣的。原圖像的像素位于整數(shù)坐標(biāo)表示的網(wǎng)格上，比如，我們說某像素點的坐標(biāo)是（10，17）。當(dāng)把這個整數(shù)的坐標(biāo)映射到新的圖像后會出現(xiàn)兩個問題：一是原像素的整數(shù)坐標(biāo)被映射到目標(biāo)圖像的小數(shù)坐標(biāo)，這樣的話，必須求整到最近的整數(shù)坐標(biāo)。二是某些目標(biāo)圖像的位置沒有從原像素的位置映射坐標(biāo)（比如，在高度方向放大原圖像兩倍，則目標(biāo)圖像每隔一行就是空的）。這些問題一般被稱作前向投影問題（forward projection）。為了解決這些問題，我們采用后向解決的思路：我們逐個遍歷目標(biāo)圖像的每一像素點并詢問“原圖像上的哪些像素點需要映射到這個目標(biāo)像素點？”而這些原像素點幾乎總是位于小數(shù)的位置。所以我們必須插值原像素點以求出目標(biāo)像素點的值。

1常用插值算法

目前比較常用的插值算法有這么幾種：最鄰近插值，雙線性插值，雙三次插值，Lanczos插值等等，下面我們就逐一闡述這些算法。

1.1 最鄰近插值

最鄰近插值算法是最簡單的一種插值方法。思路是：根據(jù)目標(biāo)像素的坐標(biāo)計算出在原圖像中的坐標(biāo)（待采樣點的坐標(biāo)）。用原圖像中最靠近待采樣點的像素點的顏色值表示目標(biāo)像素值。設(shè)（i+u， j+v）（i， j為正整數(shù)， u， v為大于零小于1的小數(shù)，下同）是待采樣點的坐標(biāo)，則求目標(biāo)像素的值 f（i+u， j+v） 如圖1所示。

圖1 最近鄰插值示意圖

如果（i+u， j+v）落在A區(qū)，即u<0.5， v<0.5，則將左上角像素點（i，j）的值賦給f（i+u， j+v），同理，落在B區(qū)則賦予右上角的像素點（i+1，j）的值，落在C區(qū)則賦予左下角像素點（i，j+1）的值，落在D區(qū)則賦予右下角像素點（i+1，j+1）的值。

下面給出了算法的實現(xiàn)代碼。matSrc表示原圖像，matDst表示縮放后的目標(biāo)圖像。scale_x， scale_y分別表示x，y方向的縮放因子。matDst.cols， matDst.rows分別表示目標(biāo)圖像的列數(shù)和行數(shù)。sx，sy分別表示目標(biāo)像素點的坐標(biāo)（i， j）對應(yīng)于與原圖像中的坐標(biāo)。cv：：saturate_cast（i * scale_x）這個模板函數(shù)在這里相當(dāng)于求i * scale_x 這個雙精度值的整形值。

cv：：Mat matSrc， matDst；

matSrc = cv：：imread（"lena.jpg"， 2 | 4）；

matDst = cv：：Mat（cv：：Size（800， 1000）， matSrc.type（）， cv：：Scalar：：all（0））；

double scale_x = （double）matSrc.cols / matDst1.cols；

double scale_y = （double）matSrc.rows / matDst1.rows；

for （int i = 0； i < matDst.cols； ++i）

{ int sx = cv：：saturate_cast（i * scale_x）；

for （int j = 0； j < matDst.rows； ++j）

{ int sy = cv：：saturate_cast（j * scale_y）；

matDst.at（j， i） = matSrc.at（sy， sx）；

}}

cv：：imwrite（"nearest_1.jpg"， matDst）；

這個算法的優(yōu)點是計算簡單方便，缺點是圖像容易出現(xiàn)鋸齒。

1.2 雙線性插值

一維線性插值問題即已知（x0， y0），（x1， y1）情況下，求解P（x）=a1x+a0使得P（xi）=yi，求解思路如圖2所示。

根據(jù)點斜式可得：

若用f（x0）， f（x1）來表示y0， y1，公式（1）可改寫為：

P（x）也稱為拉格朗日差值多項式[2]。在理解了一維的線性插值后，那么二維的線性插值就容易理解了。也就是雙線性插值算法中已知四個像素點的顏色值，求中間某一像素點的顏色值f（x，y），如圖3所示。

首先在水平方向上運用一維線性插值，公式（2），由f（i，j）和f（i+1，j）求取f（x，j），由

f（i，j+1）和f（i+1，j+1）求取f（x，j+1），然后在豎直方向運用一維線性插值，由f（x，j）和f（x，j+1）求取f（x，y）。

f（x，j）=（i+1-x）f（i，j）+（x-i）f（i+1，j） （3）

f（x，j+1）=（i+1-x）f（i，j+1）+（x-i）f（i+1，j+1） （4）

f（x，y）=（j+1-y）f（x，j）+（y-j）f（x，j+1） （5）

把（3）和（4）代入（5）得：

f（x，y）=（j+1-y）（i+1-x）f（i，j）+（j+1-y）（x-i）f（i+1，j）+（y-j）（i+1-x）f（i，j+1）+（y-j）（x-i）f（i+1，j+1） （6）

令x=i+p，y=j+q得：

f（i+p，j+q）=（1-p）（1-q）f（i，j）+p（1-q）f（i+1，j）+（1-p）qf（i，j+1）+pqf（i+1，j+1） （7）

公式（7）即為雙線性插值算法中計算目標(biāo)圖像中坐標(biāo)為（i，j）點的顏色值函數(shù)。

1.3 雙三次插值[3-4]

三次卷積插值是一種更加復(fù)雜的插值方式。該算法利用待采樣點周圍16個點的顏色值作三次插值，不僅考慮到4 個直接相鄰點的顏色值影響，而且考慮到各鄰點間顏色值變化率的影響。待采樣點（x，y）的顏色值由其周圍16個點的顏色值加權(quán)內(nèi)插得到，如圖4所示。

這種算法需要選取插值基函數(shù)（16個點的權(quán)值）來擬合數(shù)據(jù)，最常用的插值基函數(shù)[5]如圖5所示。

公式（9）或（10）即為雙三次插值算法中計算目標(biāo)圖像中坐標(biāo)為（i，j）點的顏色值函數(shù)。

三次運算可以得到更接近高分辨率圖像的放大效果，但也導(dǎo)致了運算量的急劇增加。

1.4 Lanczos插值算法

Lanczos插值算法是取待采樣點周圍8×8個，即64個像素點的顏色值來表示目標(biāo)像素點的顏色值。我們首先引出一維情況下的Lanczos插值算法。已知2a個點的函數(shù)值，求x點的函數(shù)值。則插值基函數(shù)[6]（也稱為Lanczos 核函數(shù)）如圖6。

公式（12）或（13）即為雙三次插值算法中計算目標(biāo)圖像中坐標(biāo)為（i，j）點的顏色值函數(shù)。

2 實驗結(jié)果及評價

目前，評價圖像插值質(zhì)量優(yōu)劣的方式主要有兩種標(biāo)準(zhǔn)，一種是主觀評價[7-8]，即設(shè)計實驗，由觀測者對圖像質(zhì)量進行評價； 另一種是客觀評價[9-11]，采用算法對圖像質(zhì)量進行評價。我們首先取標(biāo)準(zhǔn)測試圖象lena.tiff（512x512）的奇數(shù)行奇數(shù)列組成新圖像quarter.tiff（256x256），然后在quarter.tiff上分別運用上文提到的4種插值算法，得到與原圖一樣大小的圖像nearest.tiff（512x512），bilinear.tiff（512x512），bicubic.tiff（512x512）， lanczos.tiff（512x512）。我們的實驗是運行在Visual Studio 2015和OpenCV 3.2的環(huán)境下，CPU是 Intel Xeon E5620 @2.40GHz，內(nèi)存8GB。

2.1 主觀評價

主觀評價[7-8]指通過人眼對于圖像的觀察，從視覺效果上做出評價。

由于排版的需要，經(jīng)過縮小后，圖7中各幅圖像的差別較難發(fā)現(xiàn)。從未經(jīng)縮小的實驗結(jié)果原圖中能看出，除了極小的四周邊緣部分之外，lanczos算法要優(yōu)于bicubic算法，bicubic算法要優(yōu)于bilinear算法，bilinear算法要優(yōu)于nearest算法。

主觀評價方法會受到觀測者專業(yè)背景、心理和動機等主觀因素的影響，研究人員又提出客觀評價方法，即通過一定的算法計算得出一個數(shù)值，用數(shù)值的大小表示圖像的插值質(zhì)量，這里列出兩種常用的客觀評價方法。

2.2 客觀評價

客觀評價[9-11]指通過插值運算得到的圖像與原始圖像的像素，按某一規(guī)則計算得到指標(biāo)值的大小來衡量圖像質(zhì)量的好壞。由于不同算法得到的指標(biāo)值往往不同，并且以指標(biāo)值的形式來呈現(xiàn)圖像質(zhì)量的好壞比主觀的評價更具有可比性，因此客觀的評價方法逐漸成了該領(lǐng)域評價插值算法優(yōu)劣的主流。但是，單一的規(guī)則往往存在一定的缺陷，不能全面地概括圖像的好壞。為了解決這個問題，學(xué)者們提出了多種不同的計算規(guī)則，從不同的角度去探討圖像質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)。目前較為流行的評價標(biāo)準(zhǔn)主要有均方誤差法[9]、峰值信噪比法[10]等等。

（ 1） 均方誤差（ Mean square error，MSE） 是指原圖像和插值圖像各像素點顏色值差異的平均數(shù)。MSE 的計算公式為：

式中：K和I分別表示插值后的圖像與原圖像，m、n表示圖像的行、列數(shù)。MSE的值越小，表明R和I的差異越小，即插值算法越好。反之?dāng)?shù)值越高表明兩幅圖像的差異越大，即插值算法越差。

（2） 峰值信噪比（ Peak signal to noise ratio，PSNR） 是一種比較常用的圖像評價指標(biāo)，計算公式為：

式中： MAX表示圖像顏色的最大數(shù)值，8位圖像取值為255； MSE為圖像之間的均方誤差。PSNR 的單位為dB，數(shù)值越大表示兩個圖像越相似，也就是插值效果越好。普遍基準(zhǔn)為30dB，30dB以下的圖像劣化較為明顯。實驗結(jié)果顯示，PSNR 值并不能總與人眼看到的視覺品質(zhì)一致。

從表2中可以看出，從左到右每個算法所用的CPU時間逐漸增加，這個與每個算法的理論是相吻合的，因為它們分別是從1， 2×2，4×4，8×8個像素的顏色值來計算目標(biāo)圖像像素的顏色值。

3結(jié)束語

本文通過對常用的4種圖像插值算法原理和實際代碼驗證分析，我們發(fā)現(xiàn)這4種插值算法中，Lanczos插值和雙三次插值的效果最好，但比較耗時間，最近鄰插值的效果較差，但速度最快。雙線性插值在效果和速度上都介于上面的算法之間，在一般的應(yīng)用中常被選用。展望未來，作為一個很有實用價值的研究領(lǐng)域，圖像插值將會有更多的研究和應(yīng)用。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】